Tuleviku toomine tänapäeva: robot sõidutab robotit

Kui varasematel aastakümnetel peeti tootmise automatiseerimisel silmas Fordi üle sajandi tagasi käiku võetud vooluliini pidevat täiustamist, siis uuemal ajal on sealt mitu suurt sammu edasi astutud. Nüüdseks laialt kasutusel oleval tasemel Tööstus 4.0 abil rakendatakse tootmises autonoomselt töötavaid ja suhteliselt suure tegevusampluaaga roboteid.

„See suund on eriti aktuaalne ja ka ennast ära tasuv pigem sellistes valdkondades, kus tootepartiid pole väga suured ning toodetavad objektid vahetuvad, mitte suurtööstuses, masstootmises. Seal on Tööstus 4.0 eriti omal kohal,“ rääkis Tallinna Tehnikaülikooli doktorant Kristo Vaher, kes juhib TTK-s robotitehnika õppekava ja veab juba hulk aastaid oma asutatud tudengite robootikaringi ning aitab robotivõistlustel osalevaid meeskondi.

„Samas – väiksemad ettevõtted on tihti tehnoloogia arengu, just robotehnoloogia rakendamisest kõrvale jäänud. Uurisin oma doktoritöös selle probleemi põhjusi, töötasin välja nii soovitused kui ka prototüüplahenduse – mobiilse platvormi, mis võimaldab kasutada robotkätt vaheldumisi mitmes tootmissõlmes. Ja seda inimese sekkumiseta.“

Vaher tõi esile, et uurimisel selgus kaks peamist takistust, mis aeglustavad väiksemates tootmisettevõtetes robotite laialdast kasutamist. Üks on robotite suhteliselt kõrge hind ja teine see, et paljud ettevõtjad ei ole valmis tehnoloogilist hüpet tegema, kuna partiid ei ole eriti suured ja lisaks eeldab tootmise robotiseerimine suurt hüpet ka ettevõtja arusaamades.

Väiketootmine ei jaksa seni veel kaasa tulla

Kristo Vaheri kaitsmist ootava doktoritöö teema on „Tööstusrobotlahendustel põhinev ümberkonfigureeritav tootmine“ ehk kuidas teha robotite soetamine jõukohaseks ka väikestes ettevõtetes töökorralduse muutmise ja seda võimaldavate seadmete kasutuselevõtu teel.

Vaher uuris oma töös probleeme, mis raskendavad robotite kasutamist väikeettevõtetes. „Kui uurisin robotite ehk laia rakendusvaldkonnaga robotkäte rakendatust ettevõtetes, siis selgus, et need seisavad suurema osa jõude. Need teevad oma operatsiooni partii juures ära, partii ei ole aga suur. Nii sain teada, et hõivatus on väga madal,“ võttis Vaher kokku uurimistöö esimese etapi tähtsaima tulemuse.

„Siit tuli mul kohe ahhaa-efekt: aga kui paneks roboti vaheldumisi mitmel kohal tööle? Siis ei pea ju nii palju kalleid roboteid soetama, saab ka vähemaga ja oluliselt efektiivsemalt hakkama. Selgus, et ka seda teed on kasutatud, aga vähe: on olemas lahendused, kus mobiilne robot ja robotkäpp on koos ehk et tegu on mobiilse robotkäpaga, kuid need lahendused on kallid ja ei ole laialdaselt kasutusel.“

„Sealt edasi mõeldes ning kaalutledes jõudsin järgmise ehk paradigmat muutva ideeni: lahutame roboti ja tema transpordi, teeme kaks sõlme. Kuna inseneri üks olulisi põhimõtteid on kasutada võimalusel valmis lahendusi ja tooteid, siis tuli järgmine loogiline samm. Transpordiks võtsin juba tootmises oleva autonoomse transpordiroboti (ehk mobiilse roboti) ning robotkäpale lisasin kergekaalulise, ratastega lauakujulise aluse, mille transportimiseks saab veorobot selle alla sõita ning haagib end aluse külge, et see õigesse kohta toimetada. Mobiilne robot võib transporditava koorma jätta sihtpunktis vabalt ± 5 cm täpsusega. Edasi toimetab sealt juba masinnägemine, mis kalibreerib robotkäpa asendi ±0,05 mm täpsusega. Juhtimiseks on kasutusel lidarid ja muud moodsad seadmed. Mobiilse roboti liikumiskiirus on ca 6 km/h ehk kiire jalakäija kiirus ja see kasutab liikumiseks lidareid ja teisi andureid, millega välistatakse kokkupõrge inimestega. Uues töökohas paneb robotkäpa alus oma pikenevad metalljalad õiges kohas maha, sätib end masinnägemise elemente kasutades markerite järgi paika, teeb vajalikud ühendused ning saab tööle asuda. See transporditav alus ei ole lihtsalt alus. Sellel on kaasas akud ja kogu energia juhtimise lahendus, mis võimaldab robotkäpal teha lühemat aega tööd end vooluvõrku ühendamata. Kõik see toimub automaatselt, inimese sekkumata, kokku vähem kui minutiga. Mobiilne robot aga saab asuda tegelema muuga – näiteks laost toorikuid tuua või valmistooteid minema toimetada.“

Kristo Vaher kirjeldas tootmisprotsessi modelleerimist arvutil, mille käigus sai tõestust mõte, et ruumi optimeerimiseks on. „Protsessi optimeerimisel sain näidata, et kuna roboti kohaletoimetamine ning töölepanek võtab väga vähe aega, piisab ülesande täitmiseks väikesest hulgast mobiilsetest robotitest – ca üks viie kohta. Sellise mobiilseks muudetud robotkäpa puhul on kergelt saavutatav kasutusmäär enam kui 90 protsenti. Kuna mobiilse roboti maksumus on robotkäpaga samas suurusjärgus (30 000 – 40 000 eurot), siis on võrreldes seniste kalkulatsioonidega investeerimisvajadustes väga suur, koguni kümnekordne kokkuhoid. Kinnitan: robotiseerimine väikeettevõtetes on ka majanduslikult vägagi tehtav. Lisaks kaob hulk tuima käsitööd ja tootlikkus kasvab kordades. Laiemas vaates mõjub suurem tootlikkus positiivselt kogu riigi majandusele, sest meil – nagu igal pool mujalgi – ongi ju suurem osa ettevõtteid väikeettevõtted. Ettevõtlus on aga kogu majanduse alus.“

Sellel teel polnud Vaheril kõik sugugi nii lihtne, kui eelpool toodust võiks tunduda. „Prototüüp tuli üsna nullist valmis teha. Ratastel kõrge liikuv alus oli kõige lihtsam osa. Aga kogu juhtimissüsteem, masinnägemise seadmed, automaatika, kahe suure komponendi koostoimimine… Sai kasutada küll palju valmissõlmi, aga kõik tuli õigesti sobitada. Palju tuli programmeerida, ja seda eelkõige Python-keeles. Keeruline oli ka elektroonika pool: kogu süsteemi toitesüsteem – seal on näiteks hulk erinevaid pingeid. Lisaks autonoomse toite süsteem – iga väiksema töö jaoks pole käppa vaja isegi vooluvõrku ühendada – akusid jätkub ühetunniseks tööks. Kokkuvõttes – see oli inseneritöö sellisel kujul, nagu mulle iseäranis meeldib. Seal on kõike: alates ideest kuni oma kätega teostamiseni – nii metallitöö, elektroonika kui programmeerimine. See, mida mina kui insener teen, ongi leida viisid, kuidas asju koos töötama seada, kombineerida,“ märkis insener Kristo Vaher.

Prototüübi tegemine oli kallis, seda tuleb veelgi täiustada, optimeerida. „Kui selline seade on juba tootmises, siis hind langeb kiirelt ning neid saab kasutusele võtta ka ettevõtteis, kus robotiseerimist on seni kalliks peetud ja kus tootmine käib poolkäsitsi, robotieelse aja tasemel. Tulekul on ka mõtteviisi muutus,“ avaldas Vaher lootust. „Edasine suund selle toote puhul on rakendada rohkem masinnägemist ja masinõpet, et robotkäe funktsioonide sekka saaks lisada kohese kvaliteedikontrolli. Masin teeb seda murdosa sekundiga ja veatult, inimesed aga saaksid tegeleda uute ideedega,“ tutvustas Kristo Vaher. „Näis, kas sellest võib kujuneda ka mingi ettevõtluse suund, nii-öelda start-up.“

„See uurimustöö ja prototüüp pole kaugelt ainus, millega tegelen. Ettevõtetega on meil mitmed projektid, mida osaliselt rahastatakse ka grantide kaudu ja mitmeid uurimistöid, kus on kasutatud EAS-i (Ettevõtluse ja Innovatsiooni Sihtasutus) toetusi. Droonitehnoloogia on üks suund, aga see on meil õppekavasse eraldi suunana – droonide ehitamine, nende rakendamine ettevõtetele vajalikul moel.“

Mõtteviis vajab nügimist. Alati

Mõtteviisi muutmine võtab aega, vajades häid töötavaid eeskujusid, tegelikult toimivaid lahendusi. „Siin, meie laboris, on veel osaliselt üleval taseme Tööstus 4.0 tootmisliin, mille ehitasin, et seda, aastat seitse tagasi vägagi eesrindlikku lahendust, saaks tudengitele töötaval kujul näidata. 3D-printeriga valmistatakse toode ja töödeldakse mitmes järgus, kuni valmistoodang pakitakse ning seatakse valmis ladustamiseks. Osa sõlmi on siin alles, osa on aga juba leidnud kasutamist mujal. Oleme käsile võtnud tootmisliini uuendamise, lisades roboteid ja kvaliteedikontrolli teostamiseks uue teemana ka masinnägemise. Seal saab näidata, mida tootmise robotiseerimine tegelikkuses tähendab. Tööstus 4.0 on tegelikult juba üsna eilne päev, tulekul on Tööstus 5.0 koos masinõppe, tehisaru ning masinnägemisega. Selleks püüan meie tudengeid välja õpetada,“ rõhutas Vaher ja lisas, et homse tulekuks peavad valmistuma ka tootmine, selle juhid ning insenerid.

Õppejõu vaade

„Huvi inseneriameti, tehnilise valdkonna vastu on Eestis suur – meil on mitmel alal sügiseti konkurents lausa viis tudengikandidaati kohale. Esimese aasta tegelikud kokkupuuted reaalalade ja ka laboritöö nõudlikkusega sõeluvad paljud välja. Lahkuvad need, kes mõistavad, et tehnika ei ole ikka nende ala. Aga kes selle rehitsemise ja eneseleidmise aja läbi teevad, need ka enamasti lõpetavad,“ rääkis Vaher, kel endal selja taga õpe TTK-s ja magistrantuur ning doktorantuur TalTechis.

„Kes on aga kutse kätte saanud, seda ootab ees tõsine inseneritöö koos sobiva palgaga, mis on vähemalt kaks Eesti keskmist. Enam kui 90 protsenti lõpetajatest töötab oma erialal ja seega on põhjust rahul olla nii neil endil kui ka meil, nende õpetajatel. Murekohaks on see, et ettevõtluspraktika ajal kiputakse tudengeid ahvatlema püsivalt tööle asuma, aga see ei ole hea, kuna õpe jääks kõrvale. Oleme püüdnud ettevõtjatele selgitada, et soovi korral siduda tulevane spetsialist oma ettevõttega tuleks seda teha väikese koormusega, et kool pooleli ei jääks.“

Tehnikakõrgkooli tudengid on väga hinnatud tänu mitmekülgsele haridusele, kuna lisaks teooriale on neil ka põhjalik isetegemise kogemus. „Kutsusin juba mitu aastat tagasi ellu tudengite vabatahtliku robootikaringi, praegu on seal ligi 40 liiget. Tudengid käivad ka robotite võitlus- ja võistlusüritustel Robolahing ja Robotex, kus nad on saavutanud häid tulemusi.“

Kuidas saada inseneriks, kuidas õppejõuks?

„Kui keegi küsiks, siis võiksin enda tehnikahuvi kujunemise küll näiteks tuua. Alguses oli lihtsalt huvi igasuguste seadmete, seejärel tollal kasutatud CAD-programmidega projekteerimise vastu. Ülikoolimineku eas läksin vanemate soovitusel maaülikooli maakorraldust õppima, aga juba poole aasta pealt sain aru, et see ei ole minu ala. Tartu poisina järgisin oma sisetunnet, suundusin Maaülikooli Tehnikamajja, kus tundsin kohe, et just see on minu ala. Edasi tuli Tallinna Tehnikakõrgkool, siis tehnikaülikool. Nüüd olen tehnikakõrgkoolis tagasi, õpetamas. Kutseks on mul volitatud mehhaanikainsener, enam kõrgemat kutsetaset olla ei saagi – kaheksas tase. Doktorikraad ootab lähiajal kaitsmist.“

Kristo tunnistab, et oli varem pigem praktikasuunal tegutseja. Ta ei mõelnud doktorikraadi tegemisele magistrantuuri ajal ega ka hiljem. „Alles konkreetse teema puhul kerkis see uurimistöö suund esile, sest minu töö ühendab nii uuringud, analüüsi kui ka töötava prototüübi ehk silmaga nähtava ja käega katsutava lahenduse loomise. Olengi sellise insenerihoiakuga: kui mõni asi ei tööta, kui kuskil on probleem, siis püüan leida tehnilise lahenduse. Ma tahan teha asju, millel on reaalne väärtus, mida saab tegelikkuses kasutada ja et minu leitud lahendused saaks viia Eesti ettevõtetesse.“

Robotite rakendamine tootmises on inseneridele tõsine väljakutse, sest robot ei ole nagu inimene, kuid seda saab kujundada vastavalt vajadusele. „Tihti unustatakse, et ka tootmist saab kohandada, et tegevused oleksid tõhusamad. Näiteks maasikaid ei pea kasvatama horisontaalsel pinnal, kust neid on inimesel keeruline kätte saada, eriti keeruline on aga seda teha masinal. Siin võib tuua uutmoodi lähenemise: neid õrnu marju saab ju kasvatada ka vertikaalsetel pindadel, kust robotil on neid hulga kergem kätte saada. Robot ei ole inimene, robot on tööriist inimese käes. Selle rakendamiseks tuleb teha palju loovat mõttetööd, siis on ka tulemus kulutatud vaeva väärt.“

„Muide, automatiseerimine ja robotiseerimine on paljudes eluvaldkondades juba praeguseks jõudnud kaugemale, kui paljud meist arvatagi oskaks. Suur probleem on aga lahendada: ettevõtteid tuleks julgustada senisest veelgi enam tootmist robotiseerima ning sel alal ka haridusasutusega tihedamat koostööd tegema. Kui ettevõttes on mõni probleem, millele turult sobivat lahendust ei leia, siis koostöös teadusasutustega saab need probleemid lahendatud,“ ütles Kristo Vaher kokkuvõtteks.